超純水中溶解氧對半導(dǎo)體制造的重要性

什么是超純水？

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對于超純水沒有一個固定的定義，因為超純水的要求是由最終使用者的應(yīng)用要求決定的。然而對任意一個最終用戶來說，一些要求是非常重要的，包括檢測和控制細菌擴散，微粒子污染，有機感染（典型的是總有機碳測量），金屬和陰離子感染。這些不同的感染物取決于生產(chǎn)超純水的水的質(zhì)量和傳送水的管道材料。超純水中的溶解氧可以供微生物的生長和擴散。因此為盡可能的降低超純水有機生物感染的概率，除去水中的溶解氧就很有必要了。

超純水應(yīng)用領(lǐng)域

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半導(dǎo)體工業(yè)      制藥工業(yè)

生物科技         實驗室

應(yīng)用Application

在超純水應(yīng)用中需要測量什么氣體？

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1、溶解氧；2、溶解臭氧；  3、溶解氫和氮；

在超純水應(yīng)用中為什么要測量溶解氧和溶解臭氧？

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1、 減少超純水中的有機感染物。

2、 增加半導(dǎo)體的產(chǎn)出。

3、 在臭氧化過程之后，由于臭氧是應(yīng)用中的不想要的感染物，所以必須被保持在一定濃度以下。

關(guān)于水中的溶解氣體：

無論何時氣體接觸到液體，都會試著溶解進液體，氣體的溶解量與氣體與液體的差壓成線性關(guān)系。當環(huán)境中的氣體接觸到水氣體便趨于溶解進液體。大氣由約占79%的氮氣和21%的氧氣，和其他微量氣體組成，誰暴露在大氣中將包含這些氣體。在1個標準大氣壓，25°C水中通常含有8.5 ppm溶解氧和14.5 ppm的溶解氮。

超純水在制藥工業(yè)中的應(yīng)用

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在制藥工業(yè)中，超純水在生產(chǎn)過程中被用作產(chǎn)品的一個部分。微生物，病原體，生物膜和孢子非常有害，因此必須要消除。為降低擴散風(fēng)險，在生產(chǎn)過程中和制藥車間的清潔中，超純水被用于殺菌和注射。超純水需要除去水中的微量氧，為確保氧濃度降低到一個可以接受的限度，就需要高精度的測量設(shè)備。

超純水在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用

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在半導(dǎo)體工業(yè)中，超純水被應(yīng)用于化學(xué)處理過程的化學(xué)沖洗的很多生產(chǎn)步驟。在生產(chǎn)過程中，為消除感染物，準備生產(chǎn)處理所需要的表面，晶片通常需要被充分的清洗。取決于產(chǎn)品類型的不同，這些水處理過程可以被看做整個生產(chǎn)處理過程步驟的三分之一。一個典型的晶片廠每個月生產(chǎn)4萬個晶片，每天用掉7到11百萬立方的水，其中70%是超純水。

超純水的應(yīng)用如此關(guān)鍵是因為以下幾個原因：

- 感染性微生物會在半導(dǎo)體表面造成一個不利的電路，造成短路并形成不能使用的芯片。

- 有機物體留下的微粒會影響生產(chǎn)過程和芯片的質(zhì)量。

- 過高的溶解氧會潛在的改變已控制的氧化面厚度，進而改變集成電路的電流特性。

晶體熱氧化中溶解氧的影響：

半導(dǎo)體生產(chǎn)其中一步是熱氧化。在這一步驟中，晶片被高純化學(xué)物提前清洗，然后加熱放在擴散爐超純氧中：會在表面形成一定厚度的氧化膜，這層氧化膜非常重要，以便確保半導(dǎo)體根據(jù)需要的標準進行電流傳送的能力。當放入水中，溶解氧使得晶片的氧化膜厚度增加，因此必須把溶解氧濃度降低到一定范圍。當芯片晶體管密度增加，晶體管間寬度減少，水質(zhì)要求就變得尤其重要。常規(guī)的微型芯片被裝進越來越小的設(shè)備中，給生產(chǎn)商帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，包括提供關(guān)鍵的超純水。過去幾年里，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度如此之快，純凈要求也不斷的重新修訂以盡量減少產(chǎn)后問題。因此發(fā)展趨勢是減少超純水中的有機和無機感染物，保持溶解氧濃度范圍在0.1-1.0 ppb。

在半導(dǎo)體工業(yè)中典型的超純水處理系統(tǒng)設(shè)計遵循以下步驟（如下圖1）：

超純水中氧氣測量

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超純水的生產(chǎn)過程包括化學(xué)衛(wèi)生處理（通常在制藥工業(yè)中），超純過濾（在半導(dǎo)體工業(yè)中居多），管道系統(tǒng)設(shè)計臭氧化和優(yōu)化。典型地，根據(jù)需要的超純水質(zhì)不同，城市用水需要一系列凈化處理步驟，包括大顆粒過濾，碳過濾，水軟化，反透析，紫外線照射，增澤和最后超純過濾。一些系統(tǒng)用彎曲環(huán)把水回流進儲藏位置，以供不斷循環(huán)，然而其他一些從超純水生產(chǎn)到使用都采用無回路系統(tǒng)。傳統(tǒng)的超純水中除氧方法是用一個真空除氣器（圖1）。原理是用一個真空泵抽出水里面的氣體。傳感器就是在這時用來測溶解氧濃度，驗證這一步的有效性。在除氣之前，通常溶解氧濃度在1個ppm以下，20ppb左右或更低。經(jīng)過脫氣去離子后，超純水就需要準備好了。傳感器需要在這一步測量，以便證實溶解氧濃度足夠低。（1ppb或更低）

超純水中臭氧測量

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臭氧是一種強氧化氣體，用于殺菌和純凈超純水，消除微生物感染。在半導(dǎo)體工業(yè)和制藥行業(yè)中，臭氧化在超純水生產(chǎn)過程中被越來越廣泛的應(yīng)用，當應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)的時候，臭氧化通常在超純水存儲之前進行。

半導(dǎo)體工業(yè)中的典型臭氧化過程（如下圖2）

用一個臭氧機把氧轉(zhuǎn)換成臭氧。然后臭氧會接觸并溶于水。通常濃度在5到50個ppb不等。然后需要被從水中除去。當凈化完成后，紫外線被用來消除臭氧。由于臭氧在幾分鐘便可還原成氧并因此增加氧濃度，所以在這一環(huán)節(jié)剩余臭氧濃度越低越好。

超純水中氮氣和氫氣測量

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在超純水生產(chǎn)過程中，氫氣被用來中和溶解氧。因此需要在生產(chǎn)過程中測氫。通常水中含有溶解氮氣。氮氣有時候需要被測量，因為在一些工業(yè)應(yīng)用中氮氣會是不需要的感染物。

作者：孫帥，

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